超聲波交叉多發多收技術在鋼軌探傷中的應用研究

劉 莉

（中國鐵路南寧局集團有限公司 工務部，工程師，廣西 南寧 530021）

目前我國鐵路工務鋼軌探傷分為鋼軌母材探傷和焊縫探傷兩種，母材探傷一般為每年5～12遍，焊縫探傷最短為每半年1遍。其特點是兩種作業相互獨立，不能互補替代，焊縫探傷周期較長。而焊縫屬于線路中的薄弱點，探傷周期過長存在較大的漏探和斷軌風險。據近幾年的統計數據顯示，工務線路焊縫折斷事件已經占全部斷軌事件的60%以上。

當前使用的鋼軌探傷儀單探頭探傷只能檢測軌腰的傾斜狀裂紋或靠近軌底的垂直裂紋，對軌腰中部垂直狀的裂紋受單探頭信號發射徑路的影響，只能通過焊縫探傷時的雙探頭掃查對該類傷損進行檢測，且只對焊縫處所檢測。

如何使鋼軌母材探傷和焊縫探傷有機的結合，改變探傷模式以及改進檢測技術來提高作業效率、提高傷損檢出效果成為了當前鐵路工務鋼軌探傷工作急需解決的一個課題。

1 現狀分析

1.1 鋼軌母材探傷

使用鋼軌探傷儀器在鋼軌軌面上推行，推行速度可以達到3km/h，通過懸掛在儀器上的多只探頭往鋼軌內部發射超聲信號，信號遇到缺陷會發生反射，探頭接收反射信號后反饋到儀器來判定是否存在傷損。目前所使用的鋼軌探傷儀一般配置6只70°探頭、2只37°探頭和1只0°探頭，基本能實現對鋼軌軌頭、軌腰及其投影范圍內進行全覆蓋掃查。缺點是各探頭均為單探頭工作，軌腰中部垂直狀裂紋的反射信號經軌底再次反射后無法回到探頭，無法檢測該類傷損。

1.2 焊縫探傷

焊縫探傷使用手持探頭的方式，分步對軌頭、軌腰和軌底進行全覆蓋掃查，使用單探頭、雙探頭的方式對焊縫全斷面各類傷損進行檢測。缺點是檢測效率極低，一個焊縫檢測時長約為10分鐘，目前鐵路工務人員無法大面積開展該項工作，存在焊縫探傷頻次低、周期長的問題，焊縫折斷風險較高。

2 交叉多發多收技術的應用

2.1 70°、37°、0°及串列式雙探頭檢測原理

70°探頭可以覆蓋鋼軌的Ⅰ區（軌頭部位），利用反射式探傷原理，采用多只70°探頭分不同角度不同方向對軌頭部位進行全覆蓋掃查。

0°探頭用于檢測Ⅱ區（軌腰）的水平或縱向裂紋，利用反射式或穿透式探傷原理可以對軌頭至軌底（軌腰投影范圍內）的裂紋進行掃查。

37°探頭可以檢出Ⅱ區的斜裂紋，利用反射式探傷原理，2只37°探頭分前向、后向對軌腰投影范圍內的傾斜狀裂紋進行掃查。

串列式雙探頭采用一發一收的方式，利用軌底發射缺陷回波至接收探頭，通過改變發射和接收探頭間的位置，可以實現對Ⅱ區任何深度的垂直裂紋進行檢測。但由于效率極低，不能實現連續作業，目前僅在焊縫探傷中使用該方式，原理如圖1所示。

圖1 串列式探頭檢測原理

由上述四種檢測原理可以發現，如果將這四種探測方法結合到一起，就實現對軌頭和軌腰全覆蓋掃查。難點是雙探頭式的串列式掃查需要多次改變兩探頭的間距才能完成對軌腰的全范圍探測，無法實現連續掃查。

2.2 超聲波交叉多發多收技術

在串列式掃查方面，為提高檢測效率，需要實現連續掃查，為此研究使用超聲波交叉多發多收技術。采用集成串列式掃查技術，利用多只探頭交替發射超聲信號，多只探頭交替接收回波信號，在儀器推行過程中就可以實現對軌腰投影范圍內全覆蓋檢測，實現連續性作業，原理如圖2所示。

圖2 集成串列式探頭檢測原理

在1、2號晶片的發射路徑上，如果有垂直的缺陷（圖中橢圓點）阻擋，則聲波被反射到軌底，經軌底面再次反射到2～9號接收晶片。通過合理的優化探頭的水平位置，收發組合以15mm的高度步進，對軌腰進行自下而上的掃查。

在一個掃查周期中，0號、2號晶片首先進行前后各一次單收發掃查，檢測軌腰前后兩個方向的斜裂紋；隨后1～2號晶片交替發射，3～9號晶片交替接收，檢測軌腰的垂直裂紋。

經實驗，一個橢圓點的覆蓋直徑大于25mm，各個橢圓點連續覆蓋了從軌底至軌面的一個平行四邊形區域，為一個串列掃查周期的檢測范圍。如果將串列式探頭向前后移動，即可實現對軌腰部位的連續檢測，如圖3所示。

圖3 集成串列式穿透式掃查原理

集成串列式掃查架的0號探頭與9號探頭反方向安裝，除了可代替既有探傷儀器向后探測的37°探頭外，還可以和9號（或7、8號，根據軌型不同）探頭組合成37°穿透式，從而實現對軌墻穿透式掃查，探測原理如圖4。

圖4 穿透式掃查原理

2.3 儀器設計

將超聲波交叉多發多收技術融合到既有的鋼軌探傷儀器中，可以有效解決既有探傷儀無法檢測出軌腰中部垂直狀裂紋的難題，同時為了保證儀器構造符合現場野外作業需求，優化探頭配置。

2.3.1 沿用既有探傷儀的4個70°探頭，利用一、二次波檢測軌頭兩側的缺陷；集成串列式探頭可以檢測鋼軌Ⅱ區的垂直傷損，可以減少既有探傷儀2只前后直射的70°探頭。

2.3.2 沿用既有探傷儀的0°探頭檢測Ⅱ區的水平裂紋。

2.3.3 集成串列式探頭K值選用K0.8（折射角≈39°），選擇這個角度，是因為37°探頭容易引起鋼軌接頭第一孔的假象上斜裂紋，折射角達到39°可以較好的消除這一現象。

2.3.4 0、2號晶片為前后向單收發組合探頭，用于檢測Ⅱ區的前后傾斜的裂紋包括螺孔的上下斜裂紋，可以代替既有鋼軌探傷儀的兩只37°探頭。

2.3.5 0號與7或8或9號探頭組成穿透式探頭，可用于軌腰的穿透式檢測。

2.3.6 整機探頭數量增加到10只，比既有探傷儀多出3只，重新設計的專用探頭工作面與鋼軌接觸的面積有所減小，由原來的48×24mm改為32×14mm。經實驗，探傷車在軌面的推行阻力無明顯增加。

如圖5所示為探頭分布示意圖。

圖5 探頭分布示意圖（正視和俯視）

3 效果驗證

為將超聲波交叉多發多收技術應用于現場，經過了多方面的電氣、機械以及軟件方面的設計、制作和改進后，制作出了一臺探傷儀樣機和回放分析等配套軟件并進行試用，進一步印證方案的可行性。

3.1 探傷試塊印證

經在GTS-60C試塊上推行，能夠探測到除了下斜15°裂紋外的所有傷損，試塊端部軌腰B超成像清晰。

在GHT-5試塊上推行，能夠探測到軌頭和軌腰各基準孔且B超成像清晰。

在特制的焊縫傷損試塊上推行，能全部探測到焊縫軌頭、軌腰的傷損，B超成像清晰，如圖6、7所示。

圖6 焊縫試塊圖

圖7 在焊縫試塊推行的B超圖像

3.2 現場試用印證

某鐵路局集團公司工務段對新研制的探傷儀進行了試用，現場檢查了鋼軌470km，探傷各類焊縫5630頭，發現焊縫重傷6處（其中軌頭部位3處，軌腰部位1處，軌底三角區部位2處），對6處重傷焊縫使用焊縫探傷儀復核，判傷一致。

經過試用，印證了超聲波交叉多發多收技術可以較好的融合和應用到傳統的鋼軌探傷儀中，融合了交叉多發多收技術的探傷儀可以對鋼軌軌頭和軌腰投影范圍進行探傷，能有效發現軌頭和軌腰的各類傷損。

4 結束語

應用了超聲波交叉多發多收技術的探傷儀有效的解決了傳統的鋼軌探傷儀無法發現軌腰垂直缺陷的問題，真正實現了軌頭、軌腰的全覆蓋檢測，降低了鋼軌和焊縫折斷風險，為后續實現鋼軌母材和焊縫軌頭和軌腰區域的聯合探傷，提高勞效及傷損檢出率提供了研究基礎。同時我們也應注意到，目前的技術還不能解決鋼軌軌底的探傷問題，只能通過人工手持探頭進行單獨檢測，有待研究新的探傷方法和設備。